CN113872909B - 一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法及系统。该方法为：对接收的短时突发载波信号采用滑动窗口依次滑动取样；将每次滑动后的接收信号中前导序列部分a与本地序列b做相关运算得到相关信号c；将每个相关信号c进行FFT变换至频域；计算每个FFT变换后相关信号c的峰均比；取所有相关信号c中最大的k个峰均比，将其对应滑动数作为偏移帧头；依次验证所述k个峰均比，得到最终捕获结果。该低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法能够高效可靠地捕获到信号帧头，以实现载波同步。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法及系统。
背景技术
在未来通信网络中，低轨卫星通信网络起着越来越重要的作用。低轨卫星通信网络具备许多网络系统所不具备的优越性：相对于地面无线通信系统，低轨卫星通信系统覆盖面广、抗毁灭性强；相对于中高轨卫星通信系统，低轨卫星通信系统组网灵活，卫星运行轨道低，星地链路传输时延较小。卫星通信系统与地面通信系统同为电信产业的组成部分，两者互为补充。低轨卫星通信具有星地延迟小、路径损耗小、终端可小型化等优点，受到各国卫星移动通信发展的重视。
随着5G建设的开启，以及NB-IoT、LoRa等物联网通信标准的推出，万物互联已具有现实意义。但是，这些无线物联网技术仍需要海量基础设施的支持，而且在沙漠、海洋等地域存在建设难题和经济可行性问题。作为万物互联有力补充的低轨卫星物联网，不受地理环境约束，实时全球覆盖，可提供高带宽、低时延的海量连接。但是，低轨卫星传输信道是低信噪比、高动态的，信道状态差导致时间、频率不准确，信号的可靠且有效传输是待解决的关键问题。同步的目标在于卫星天线端口实现终端信号的时间、频率与卫星基准时间、频率对齐，避免终端信号间发生碰撞，保障有限资源内多终端信号高效、有序的传输。对于短突发信号，如何快速捕获帧头，实现信号传输的同步，是降低处理时延、可靠传输的关键技术，具有实际研究价值。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法，包括以下步骤：
对接收的短时突发载波信号采用滑动窗口依次滑动取样；
将每次滑动后的接收信号中前导序列部分a与本地序列b做相关运算得到相关信号c；
将每个相关信号c进行FFT变换至频域；
计算每个FFT变换后相关信号c的峰均比；
取所有相关信号c中最大的k个峰均比,k为正整数，将其对应滑动数作为偏移帧头；
利用所述k个峰均比对应的偏移帧头和频偏依次对所述k个峰均比对应的滑动后的信号进行验证，解调出信号得到最终捕获结果。
该低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法能够高效可靠地捕获到信号帧头，以实现载波同步。
优选的,取所有相关信号c中最大的3个峰均比。
该低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法的优选方案：采用滑动窗口取样时，每次滑动m个符号，m为正整数，依次滑动寻找帧头，使其与本地序列最大程度对齐。
该低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法的优选方案：将相关信号c尾部补零至2n点后再进行FFT变换，n为正整数，2n>短时突发载波信号实际频点数。将相关信号c进行FFT变换至频域，易于编程实现并行结构。
获得最大相关峰对应的频域点数p，若p>2n/2，则频偏＝-(2n-p)*fs/2n；若p<2n/2，频偏＝p*fs/2n。
该低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法的优选方案：所述峰均比ρ＝2n*max(C)/∑C,max(C)为相关信号c的频域峰值，∑C为相关信号fft变换后的频谱数组。
本发明还提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获系统，包括处理器和与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述的低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法对应的操作。
本发明的有益效果是：本发明针对高动态、低信噪比的环境，实现了中低速物联网通信短突发帧头捕获，克服了多普勒频偏和时钟漂移等影响；本发明所采用的滑动窗口和FFT运算方法，易于编程实现并行结构，兼顾了动态性能、捕获时间和硬件实现的要求，满足系统指标，具备可操作性；以峰均比为判别标准，并选择3次最大峰均比对应帧头位置，能满足动态变化下的捕获准确性，适用于极低信噪比、大频偏条件。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
对于低轨卫星物联网系统，以10ksps符号速率为例，由于低轨卫星相对终端高速移动，形成多普勒频移，10ksps符号速率的低轨卫星物联网通信多普勒频偏达到2kHz，同时存在250Hz/s的频偏变化率。以多频时间多址接入(MF-TDMA)方式，多个终端在不同频点同时传输，一个突发10ms。突发信号长度短，但为了保证传输信息量，这导致可用导频数量不足。在高动态、低信噪比环境中，简单地使用导频估计无法准确捕获帧头。本发明提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法，能够高效可靠地捕获到信号帧头，以实现载波同步。
如图1所示，该低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法具体如下：
由于晶振漂移和时间延时等导致信号无法对齐，因此利用滑动窗口对接收的短时突发载波信号依次滑动取样，本实施例中，每次滑动1个符号，依次滑动寻找帧头，使其与本地序列最大程度对齐。假设接收信号为x，滑动m个符号后，即为：x(n)＝x(n+m)。进入循环，假设滑动窗口长度用L表示,循环一次滑动m个符号，得到新的信号x，再做相关，fft变换，计算峰均比，直至滑动L个符号。为了均衡处理时间与捕获精度，滑动窗口大小设置为40。
为了判断当前信号帧头是否对齐，将经过滑动后的接收信号中前导序列部分a与本地序列b做相关，得到相关序列c，即：c＝a*conj(b)。
将相关信号c尾部补零至2n点后进行FFT变换至频域，这里的原则是2n大于短时突发载波信号实际频点数。本实施例针对10ksps符号速率信号传输，采用1024点FFT。
为了实现多次滑动后的准确比较，进一步采用频谱峰均比为判断标准。计算每个FFT变换后相关信号c的峰均比，峰均比ρ＝2n*max(C)/∑C,max(C)为相关信号c的频域峰值，∑C为相关信号fft变换后的频谱数组。
取所有相关信号c中最大的k个峰均比值，其对应滑动数即为偏移帧头。
利用k个峰均比对应的偏移帧头和频偏依次对所述k个峰均比对应的滑动后的信号进行验证，解调出信号得到最终捕获结果。
这里频偏的计算方法为：获得最大相关峰对应的频域点数p，若p>2n/2，则频偏＝-(2n-p)*fs/2n；若p<2n/2，频偏＝p*fs/2n。最大相关峰为最大峰均比对应的频域点数。
本实施例中，2n＝1024，信号滑动40次循环后，比较峰均比，取最大3次峰均比对应的滑动数作为偏移帧头及频偏，与短时突发载波信号进行比较，依次验证3个可能的帧头，解调出信号得到最终捕获结果。
本发明所设计的40符号滑动窗和3次峰均比帧头，适用于极低信噪比、大频偏下多频点用户同时传输的环境，能动态满足信道条件的变化，弥补了短突发中导频数量不足所导致的估计误差。采用1024点FFT，既便于编程并行实现，快速实现信号捕获，又保证了物联网突发信号的精确捕获。
本申请还提出了一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获系统，其包括处理器和与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述的低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法对应的操作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
对接收的短时突发载波信号采用滑动窗口依次滑动取样；
将每次滑动后的接收信号中前导序列部分a与本地序列b做相关运算得到相关信号c；
将每个相关信号c进行FFT变换至频域；
具体地，将相关信号c尾部补零至2n点后再进行FFT变换，n为正整数，2n>短时突发载波信号实际频点数；
计算每个FFT变换后相关信号c的峰均比；
所述峰均比ρ＝2n*max(C)/∑C,max(C)为相关信号c的频域峰值，∑C为相关信号fft变换后的频谱数组；
取所有相关信号c中最大的k个峰均比,k为正整数，将其对应滑动数作为偏移帧头；
利用所述k个峰均比对应的偏移帧头和频偏依次对所述k个峰均比对应的滑动后的信号进行验证，解调出信号得到最终捕获结果。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法，其特征在于，采用滑动窗口取样时，每次滑动m个符号，m为正整数，依次滑动寻找帧头，使其与本地序列最大程度对齐。
3.根据权利要求1所述的低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法，其特征在于，获得最大相关峰对应的频域点数p，若p>2n/2，则频偏＝-(2n-p)*fs/2n；若p<2n/2，频偏＝p*fs/2n。
4.根据权利要求1所述的低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法，其特征在于，取所有相关信号c中最大的3个峰均比，将其对应滑动数作为偏移帧头。
5.一种低轨卫星物联网短时突发载波捕获系统，其特征在于，包括处理器和与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如权利要求1至4任一项所述的低轨卫星物联网短时突发载波捕获方法对应的操作。
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